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1、掘進(jìn)機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
掘進(jìn)機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2015/12/09
《礦山機(jī)械雜志》2015年第十一期
掘進(jìn)機(jī)、輸送機(jī)、采煤機(jī)及液壓支架是綜合開(kāi)采的4種核心設(shè)備，EBZ系列懸臂式掘進(jìn)機(jī)是實(shí)現(xiàn)煤層剝離、裝載運(yùn)出及移動(dòng)行走于一身的煤礦機(jī)械設(shè)備[1]。在煤礦生產(chǎn)機(jī)械化、自動(dòng)化水平日益提高的今天，通過(guò)現(xiàn)代控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及通信技術(shù)等手段，進(jìn)一步提高懸臂式掘進(jìn)機(jī)的工作穩(wěn)定性與可靠性，克服人工控制方案的缺陷具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用的通信方式以R
2、S485總線為主，而RS485總線正常傳輸距離僅在1000m以內(nèi)，同時(shí)它只能使用主從結(jié)構(gòu)，當(dāng)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)存在時(shí)，容易發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸混亂，通信效率不高。筆者設(shè)計(jì)了一種基于CAN總線的EBZ掘進(jìn)機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，通信距離可達(dá)10km，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)距離遙控作業(yè)，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸量大、通信安全可靠，可以降低操作者勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了煤礦開(kāi)采效率與安全性，為提高懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)控制水平提供了有益借鑒。
1控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
EBZ系列掘進(jìn)機(jī)屬于掘錨一體機(jī)，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，主要的控制系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)主回路、操作控制回路、檢測(cè)傳感回路及安全保護(hù)回路4部分[2]。在控制系統(tǒng)工作中，需要檢測(cè)的參數(shù)主要包括電動(dòng)機(jī)溫度
3、、電動(dòng)機(jī)電流、環(huán)境瓦斯?jié)舛?、液壓系統(tǒng)油溫與油位、壓力、整機(jī)漏電狀況及接地等故障等?；贑AN總線的EBZ掘進(jìn)機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)主要由分布式傳感器、獨(dú)立的處理器、CAN通信芯片及電力驅(qū)動(dòng)器等部分構(gòu)成，系統(tǒng)通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)通信，對(duì)掘進(jìn)機(jī)工況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)。掘進(jìn)機(jī)啟動(dòng)前，系統(tǒng)將對(duì)切割電動(dòng)機(jī)、油泵電動(dòng)機(jī)等進(jìn)行全面檢測(cè)，避免漏電、過(guò)壓等故障的出現(xiàn)，從而保證了掘進(jìn)機(jī)啟動(dòng)工作的穩(wěn)定與可靠?？刂葡到y(tǒng)原理如圖1所示。
2控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
2.1系統(tǒng)核心硬件選型掘進(jìn)機(jī)的工作環(huán)境十分惡劣，各種干擾、粉塵對(duì)控制系統(tǒng)各部件的可靠性與穩(wěn)定性均提出了比較苛刻的要求。在惡劣的工作環(huán)境下，若要系統(tǒng)順暢
4、穩(wěn)定工作，首先要選用穩(wěn)定可靠的控制核心，該設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主控芯片選擇了LPC1768系列的Cortex-M3微型控制器，CAN總線通信收發(fā)芯片使用了SN65HVD230系列，該收發(fā)器抗干擾能力出眾、可靠性突出，在掘進(jìn)機(jī)工作環(huán)境中應(yīng)用極為適合。
2.2截割臂擺速控制方式掘進(jìn)機(jī)截割臂通過(guò)截割頭與截割臂的協(xié)同運(yùn)動(dòng)，完成了煤巖部分的掘進(jìn)與截割，其準(zhǔn)確控制在掘進(jìn)機(jī)的控制中占據(jù)重要地位。該設(shè)計(jì)采用的控制方式為使用對(duì)電流與振動(dòng)信號(hào)的有效檢測(cè)，為系統(tǒng)提供雙輸入的控制依據(jù)，通過(guò)電流與煤巖硬度兩方面的判斷，結(jié)合模糊控制的方法完成截割臂擺速的實(shí)時(shí)控制，截割臂擺速控制的原理如圖2所示。
2.3硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件
5、系統(tǒng)的核心是監(jiān)控主板，主板的主要功能是完成掘進(jìn)機(jī)工況過(guò)程中的數(shù)據(jù)采集，并根據(jù)數(shù)據(jù)情況進(jìn)行控制。具體數(shù)據(jù)采集由采集模塊完成，采集模塊包括各種傳感器、信號(hào)處理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、各種I/O接口電路及控制器等結(jié)構(gòu)。掘進(jìn)機(jī)控制模塊主要包括控制器、控制開(kāi)關(guān)、信號(hào)處理電路、I/O接口電路和各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分，系統(tǒng)控制分站的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。
2.4主要電路設(shè)計(jì)(1)晶振與復(fù)位電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制中心LP1768，該控制器有主時(shí)鐘振蕩器、RTC時(shí)鐘振蕩器及內(nèi)部RC振蕩器3個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘源[6]。該設(shè)計(jì)針對(duì)RTC使用了32.86kHz晶振，主晶振使用了12kHz，為了保證各個(gè)芯片運(yùn)行的穩(wěn)定可靠，在VDD與
6、VSS之間設(shè)計(jì)了去耦電容。RTC晶振頻率使用了32.86kHz晶振，主要提供RTC所需的時(shí)鐘源，具體晶振與復(fù)位電路如圖4所示。(2)總線收發(fā)電路設(shè)計(jì)CAN總線收發(fā)電路決定了系統(tǒng)數(shù)據(jù)收發(fā)的穩(wěn)定可靠，設(shè)計(jì)中將SN65HVD230中的D、R兩引腳分別與F040的TX與RX并聯(lián)電阻后再相連，起到終接電阻的作用，設(shè)計(jì)中終接電阻取120，總線收發(fā)電路設(shè)計(jì)如圖5所示。
2.5軟件設(shè)計(jì)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)結(jié)構(gòu)化程序思想完成整個(gè)軟件設(shè)計(jì)，軟件主要完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理、有效數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、控制命令輸出及現(xiàn)場(chǎng)通信能功能，軟件執(zhí)行過(guò)程可簡(jiǎn)單描述為程序開(kāi)始、完成初始化工作且啟動(dòng)各個(gè)電動(dòng)機(jī)，從而檢測(cè)系統(tǒng)是否存在故障；發(fā)現(xiàn)故障停機(jī)報(bào)警，無(wú)故障則正常啟動(dòng)掘進(jìn)機(jī)，根據(jù)控制命令進(jìn)入到工作過(guò)程的監(jiān)控模式。系統(tǒng)通信部分核心功能是CAN控制器對(duì)數(shù)據(jù)幀的相應(yīng)分析，程序執(zhí)行過(guò)程首先要調(diào)用中斷程序，然后接收數(shù)據(jù)，并分析判斷，錯(cuò)誤數(shù)據(jù)清除并發(fā)送錯(cuò)誤信息，正確數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器備用，系統(tǒng)的主程序與響應(yīng)幀數(shù)據(jù)流程如圖6所示。
3結(jié)語(yǔ)
以EBZ系列掘進(jìn)機(jī)為研究對(duì)象，使用CAN總線技術(shù)作為通信方式，從硬件設(shè)計(jì)與軟件開(kāi)發(fā)兩個(gè)角度，設(shè)計(jì)了基于CAN總線的EBZ掘進(jìn)機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)的分布式實(shí)時(shí)控制，降低了控制系統(tǒng)的故障率，提高了掘進(jìn)機(jī)工作的穩(wěn)定性與可靠性。
掘進(jìn)機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
